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Bem vindo à disciplina de Física - Formação Intermediária

Você já deve ter visto alguns conceitos básicos de física em Portal:Formação Básica/Física. Agora nós aprofundaremos nossos estudos nesta disciplina, e entenderemos como ela busca analisar a natureza das coisas. Em alguns momentos alguns conceitos poderão parecer complexos, mas faremos esforço juntos de tornar o aprendizado mais fácil.

O que é Física ?

Universum - Representação do Universo gravada em madeira, usada por Camille Flammarion na obra L'atmosphère: météorologie populaire, (Paris 1888) - (Coloração de Heikenwaelder Hugo, Viena 1998).

Física é a ciência que estuda os fenômenos naturais, ou seja, tudo o que ocorre ao nosso redor. Trata dos componentes fundamentais do Universo, as forças que eles exercem e os resultados destas forças. O termo vem do grego φύσις (physis), que significa natureza, pois nos seus primórdios ela estudava, indistintamente, muitos aspectos do mundo natural. A Física difere da Química, ao lidar menos com substâncias específicas e mais com a matéria exata em geral, embora existam áreas que se cruzem, como a Físico-química (intimidade da matéria). Dessa forma, os físicos estudam uma vasta gama de fenômenos físicos, em diversas escalas de comprimento: das partículas subatômicas, das quais toda a matéria é originada, até o comportamento do universo material como um todo (Cosmologia).

História da Física

Príncipio

Desde a antiguidade, pessoas têm interesse em compreender o comportamento da matéria: porque objetos sem apoio caem para o chão, porque diferentes materiais têm diferentes propriedades, e assim por diante. Era também um mistério certos aspectos do Universo, tais como a forma da Terra e o comportamento dos objetos celestiais tais como o Sol e a Lua.

Várias teorias foram propostas, a maioria delas estava errada, mas isto faz parte da natureza do empreendimento científico, e mesmo as teorias modernas da mecânica quântica e da relatividade podem eventualmente ser invalidadas. Teorias físicas na antiguidade eram largamente formuladas em termos filosóficos, e raramente verificadas por testes experimentais sistemáticos.

Grécia antiga

Estátua de bronze de Arquimedes no Observatório Archenhold em Berlim.

Tipicamente na maioria das sociedades humanas antigas, o comportamento e características do mundo foram explicados apelando-se para ações dos deuses. Por volta do século VII a.C., muitos filósofos gregos começaram a propor que o mundo poderia ser compreendido como resultado de processos naturais. Os atomistas tentavam caracterizar a natureza da matéria, a qual antecipa o trabalho dos dias de hoje.

Devido à falta de equipamentos experimentais avançados, tais como telescópios e mecanismos acurados de marcação do tempo, testes experimentais de muitas destas idéias era impossíveis ou impraticáveis.

Houve exceções e havia anacronismos: por exemplo, o pensador grego Arquimedes deduziu muitas descrições corretas da hidrostática quando, como a história conta, ele notou que seu próprio corpo deslocava um volume de água enquanto ele estava tomando um banho um dia. Outro notável exemplo foi aquele de Eratóstenes, que deduziu que a Terra era uma esfera, e calculou apuradamente sua circunferência usando as sombras de bastões verticais para medir os ângulos entre dois pontos bastante separados na superfície da Terra.

Matemáticos gregos também propuseram calcular o volume de objetos como esferas e cones pela a sua divisão em discos muito pequenos e somando-se o volume de cada disco – antecipando a invenção do cálculo integral em mais de dois milênios.

O conhecimento moderno destas idéias iniciais na física, e a profundidade na qual elas podem ser experimentalmente comprovadas, é grosseira. A maioria de todos os registros diretos destas idéias foram perdidos quando a Biblioteca de Alexandria foi destruída, em cerca de 400 d.C.

Talvez a mais notável idéia que nós conhecemos desta Era seja a teoria de Aristarco de Samos de que a Terra era um planeta que viajava em torno do Sol em um ano, e roda em torno de seu eixo em um dia (gerando-se as estações e os ciclos de dia e noite), e que as estrelas eram outros sóis muito distantes, os quais tinhas os seus próprios planetas acompanhados (e possivelmente, formas de vidas sobre estes outros planetas).

Máquina de Antikythera.

A descoberta da Máquina de Antikythera revela um detalhado conhecimento do movimento destes objetos astronômicos, como também um uso de engrenagens antes que qualquer outra civilização usasse engrenagens. O parafuso de Arquimedes é ainda usado, atualmente, para levantar água dos rios para irrigação de fazendas. As máquinas simples não foram assinaladas, com exceção da elegante prova de Arquimedes das leis da alavanca. Rampas foram usadas vários milênios antes de Arquimedes, para a construção das Pirâmides.

Lamentavelmente, este período de indagação a respeito da natureza do mundo foi eventualmente asfixiado por uma tendência de aceitar as idéias de eminentes filósofos, ao invés de questionar e testar estas idéias. O próprio Pitágoras dizia para se suprimir o conhecimento da existência de números irracionais, descobertos pela sua própria escola, porque eles não se adequavam ao seu misticismo numérico. O modelo de um universo centrado na Terra de Ptolomeu no qual os planetas eram entendidos como se movendo em pequenos círculos, chamados de epiciclos, o qual moves em ciclos, eram tidos como verdades absolutas.

Idade Média

Com a civilização dominada pelo Império Romano, muitos médicos gregos começaram a praticar medicina para elite de Roma, mas infelizmente as ciências físicas também não eram apoiadas ali.

Seguindo o colapso do Império Romano, os europeus presenciaram o declínio do interesse na cultura clássica, fenômeno chamado por alguns de idade das trevas, embora escolásticos modernos não gostem de usar este termo, a maior parte da pesquisa científica se estagnou. O nascimento do cristianismo viu a supressão e destruição da maioria da filosofia clássica grega (juntamente com a arte grega e romana, literatura e iconografia religiosa) como da herética e da pagã.

No Oriente Médio, contudo, muito filósofos de origem grega foram capazes de encontrar suporte para seu trabalho, e os escolásticos desenvolveram-se baseados nos seus trabalhos prévios em astronomia e matemática enquanto desenvolviam novos campos como a Alquimia que posteriormente originaria a química.

Depois que os árabes conquistaram a Pérsia, cientistas surgiram entre a população persa. Eles reviveram a sabedoria grega, e ajudaram a preservá-la enquanto ela ofuscava-se na Europa. Um cientista persa, possivelmente Mohammed al-Fazari, inventou o astrolábio; al-Khwarizmi emprestou seu nome para aquilo que hoje conhecemos como algarismo, e desenvolveu a álgebra.

No século XII, houve o nascimento da universidade medieval e a redescoberta dos trabalhos dos antigos filósofos através do contato com os árabes, durante o processo de Reconquista e das Cruzadas, iniciando uma revitalização da vida intelectual da Europa.

Durante o século XII, os precursores do método científico moderno já podiam ser vistos no trabalho de Robert Grosseteste com ênfase na matemática, como por outro lado, na compreensão da natureza e na abordagem empírica admirada por Roger Bacon.

Bacon conduziu experimentos no campo da óptica, ainda que muito do seu trabalho seja similar àquilo que começava a ser feito no seu tempo por sábios Árabes. Ele deu a maior contribuição para o desenvolvimento da ciência européia medieval devido a sua correspondência para o Papa, para encorajá-lo no ensino das ciências naturais nos cursos universitários e na compilação de vários volumes de registros do conhecimento científico em vários campos do seu tempo; descreveu a possibilidade da construção de um telescópio, mas não existe nenhuma evidência forte de que ele tenha feito um; registrou a maneira pela qual conduzia seus experimentos em detalhes tão precisos que outros puderam reproduzi-los e testar seus resultados – uma pedra angular do método científico, e uma continuação do trabalho de pesquisadores como Al Battani.

No século XIV, alguns escolásticos, tais como Jean Buridan e Nicole Oresme, iniciaram o questionamento da visão da mecânica de Aristóteles. Em particular, Buridan desenvolveu a teoria dos ímpetos, primeiro passo na direção do conceito moderno de inércia.

Estátua de Roger Bacon no Museu de Oxford.

Por sua vez, Nicole d'Oresme mostrou que o motivo proposto na física de Aristóteles contra o movimento da Terra não era válido e mostrava a simplicidade da teoria segundo a qual a Terra se move, e não os céus. Em todos os seus argumentos em favor do movimento da Terra, Oresme é ao mesmo tempo mais claro e explícito do que Copérnico viria a ser dois séculos mais tarde. Ele também foi o primeiro a afirmar que a cor e a luz são da mesma natureza e a descoberta do desvio da luz através da refração atmosférica; embora, atualmente, o crédito desta última descoberta seja dado a Robert Hooke.

A chegada da peste negra, em 1348, põe fim a um breve período de desenvolvimento filosófico. A praga matou um terço das pessoas na Europa. A recorrência da praga e de outros desastres causaram um contínuo declínio da população por um século.

A despeito desta paralisação, o século XV foi marcado pelo florescimento artístico da Renascença. A descoberta de textos antigos foi acelerada quando sábios de Bizâncio tiveram que procurar refúgio no oeste após a queda de Constantinopla em 1453.

Renascença

A revolução científica pode ser vista como o florescimento do Renascimento e uma porta para a civilização moderna. Foi, em parte, assentada devido à redescoberta de conhecimentos originários da Grécia Antiga, Índia, China e da cultura Islâmica preservados e posteriormente desenvolvidos pelo mundo Islâmico do século VIII até o século XV, e traduzidos por monges cristãos para o latim, tais como o Almagestro.

Isto se iniciou com somente uns poucos pesquisadores, evoluindo em um empreendimento que continua até o dia de hoje. Iniciando-se com a astronomia, os princípios da filosofia natural se cristalizaram em leis da física fundamentais enunciadas e melhoradas nos séculos seguintes. Durante o século XIX, a ciência tinha se fragmentado em múltiplos campos com pesquisas especializadas e campos da física.

Enquanto isto, a invenção da imprensa levou à democratização do saber e permitiu uma rápida propagação de novas idéias. Tudo isto pavimentou o caminho para a revolução científica a qual deve ser entendida como uma retomada do método científico que havia sido interrompido no século XIV.

No século XVI Nicolau Copérnico reviveu o modelo heliocêntrico do sistema solar antevisto por Aristarco de Samos (o qual é mencionado inicialmente em uma passagem de O arenário de Arquimedes). Quando este modelo foi publicado no fim de sua vida, ele tinha um prefácio de Andreas Osiander que humildemente indicava que se tratava apenas de uma conveniência matemática para calcular a posição dos planetas, e não uma explicação para a natureza verdadeira das órbitas planetárias.

Na Inglaterra, William Gilbert (1544-1603) estudou o magnetismo e publicou o trabalho seminal, De Magnete (1600), o qual trazia presente seus numerosos resultados experimentais.

No início do século XVII Johannes Kepler formulou um modelo do sistema solar baseado nos cinco sólidos platônicos, milenar baseado na idéia de Ptolomeu de órbita circular "perfeita" para corpos celestes "perfeitos". Kepler então formulou suas três leis de movimento planetário. Ele também propôs o primeiro modelo conhecido de movimento planetário no qual uma força emanada do Sol deflete o planeta de seu movimento "natural", causando então uma órbita curva.

Durante o início do século XVII, Galileu Galilei foi o pioneiro no uso de experimentos para validar as teorias físicas, idéia chave do método científico. O uso de experimentos por Galileu, e a insistência de Galileu e Kepler de que resultados experimentais devem ter precedência sobre resultados teóricos (o que segue os preceitos de Aristóteles, mas não suas práticas), acabando com a aceitação de dogmas, e dando início a uma era onde idéias científicas eram abertamente discutidas e rigorosamente testadas. Galileu formulou e testou com sucesso várias situações em cinemática, incluindo a lei correta do movimento acelerado, a trajetória parabólica, a relatividade do movimento não acelerado, e uma forma inicial da lei da inércia.

Em 1687 Isaac Newton publicou o Principia Mathematica, detalhando duas teorias físicas genéricas e bem sucedidas: as leis do movimento de Newton, da qual surge a mecânica clássica; e a lei da gravitação de Newton, a qual descreve a força fundamental da gravidade. Ambas teorias concordam muito bem com os experimentos.

A mecânica clássica foi exaustivamente estendida por Joseph-Louis de Lagrange, William Rowan Hamilton, e outros, que produziram novas formulações, princípios, e resultados. As leis da gravitação iniciam o campo da astrofísica, o qual descreve fenômenos astronômicos usando teorias físicas.

A partir do século 18, o conceito de Termodinâmica seria desenvolvido por Robert Boyle, Thomas Young, e muitos outros, concorrentemente com o desenvolvimento da máquina a vapor, dando prosseguimento no próximo século.

Em 1733, Daniel Bernoulli usou argumentos estatísticos juntamente com mecânica clássica para deduzir resultados termodinâmicos, iniciando o campo da mecânica estatística.

Benjamin Franklin conduziu pesquisas a respeito da natureza da eletricidade em 1752. Em 1798, Benjamin Thompson demonstrou a conversão ilimitada de trabalho mecânico em calor; isto foi utilizado por James Prescott Joule para demonstrar a lei da conservação de energia no século seguinte.

Século XIX

Em uma carta a Royal Society em 1800, Alessandro Volta descreveu a sua invenção da bateria elétrica, proporcionando pela primeira vez um meio para gerar uma corrente elétrica constante, e abrindo um novo campo para investigação na física.

Em 1847 James Prescott Joule estabeleceu a lei da conservação de energia, na forma do calor e da energia mecânica. Contudo, o princípio da conservação da energia teria sido sugerido ou enunciado em várias formas, por talvez, uma dúzia de alemães, franceses, britânicos e outros cientistas durante a primeira metade do século XIX.

O comportamento da eletricidade e magnetismo foi estudado por Michael Farady, Georg Ohm, e outros.

Faraday, que iniciou sua carreira como químico trabalhando para Humphry Davy no Royal Institution, demonstrou que o fenômeno eletrostático, a ação da recentemente descoberta pilha elétrica ou bateria, o fenômeno eletroquímico, e o relâmpago são todos manifestações diferentes do fenômeno elétrico. Faraday, além disto, descobriu em 1821 que a eletricidade pode produzir movimento mecânico rotacional, e em 1831 descobriu o princípio da indução eletromagnética, pelo qual o movimento mecânico pode ser convertido em eletricidade. Por este motivo foi Faraday que estabeleceu as bases para o motor elétrico e o gerador elétrico.

Em 1855, James Clerk Maxwell unificou os dois fenômenos em uma única teoria do eletromagnetismo, descrita pelas equações de Maxwell. Uma predição de suas teorias era que a luz é uma onda eletromagnética. Um tópico a parte das deduções de Maxwell foi que a velocidade da luz não depende do observador, um aviso do desenvolvimento da relatividade especial por Albert Einstein.

Em dois trabalhos em 1876 e 1878, Josiah Willard Gibbs desenvolveu muito do formalismo teórico para a Termodinâmica, e uma década depois estabeleceu as leis para a fundação da mecânica estatística — esta também foi descoberta independentemente por Ludwig Boltzmann.

Em 1887 o experimento Michelson-Morley é conduzido e é interpretado como um ponto contra a teoria amplamente aceita na época, que a Terra esta se movendo através de um "éter luminífero".

Este desenvolvimento permitiu que mais tarde a teoria restrita da relatividade de Einstein promovesse uma explicação completa que não necessitava do éter, e fosse consistente com os resultado dos experimentos.

Albert Abraham Michelson e Edward Morley não estavam convencidos da não existência do éter. Morley partiu para conduzir experimentos com Dayton Miller.

Em 1887, Nikola Tesla investigou o Raio-X usando seus próprios aparelhos como também os tubos de Crookes.

Em 1895, Wilhelm Conrad Röntgen observou e analisou os Raios-X, o qual o ajustou para ser uma radiação eletromagnética de alta-frequência.

A radioatividade foi descoberta em 1896 por Henri Becquerel, e depois foi estudada por Pierre e Marie Curie e outros. Isto iniciou o campo da física nuclear.

Em 1897, J.J. Thomson estudou o elétron, a partícula elementar o qual carrega corrente elétrica no circuito. Ele deduziu que raios catódicos existiam e eram partículas "negativamente carregadas, o qual ele chamou corpúsculos".

Física Moderna

O início do século XX inaugurou uma série de revoluções na física. As teorias há muito aceitas de Newton não se mostraram suficientes para todas as circunstâncias. Não somente a mecânica quântica mostrava que as leis do movimento não se aplicam a escalas pequenas, mas o mais perturbador, a relatividade geral mostrou que o arcabouço do espaço-tempo, do qual a mecânica newtoniana e relatividade especial dependem, poderia não existir.

Em 1904, Thomson propôs o primeiro modelo atômico, conhecido como o modelo do pudim de passas. (A existência do átomo foi proposta em 1808 por John Dalton).

Em 1905, Einstein formulou a teoria da relatividade especial, unificando o espaço e tempo em uma única entidade, espaço-tempo. A teoria da relatividade prescreve uma transformação entre referenciais inerciais diferente da mecânica clássica, necessitando o desenvolvimento da mecânica relativística como um substituto para mecânica clássica. No regime de velocidade baixa (relativa), as duas teorias concordam.

Em 1915, Einstein ampliou a relatividade restrita para explicar a gravidade com a teoria da relatividade geral, a qual substitui as leis de gravitação de Newton. Em situações de baixas massas e energias, as duas teorias concordam. Um dos principais resultados da relatividade geral é o colapso gravitacional em buracos negros, o qual tinha sido antecipado dois séculos antes, mas elucidado por Robert Oppenheimer. Oppenheimer foi o último diretor do Projeto Manhattan no Los Alamos.

Importantes soluções exatas da equação de campo de Einstein formam encontradas por Karl Schwarzschild em 1915 e Roy Kerr somente em 1963.

David Hilbert veio a obter as mesmas equações de Einstein para a relatividade geral em um período de poucas semanas, como Einstein, em novembro de 1915. A dificuldade principal, no que concerne a Hilbert, era que a lei de conservação da energia não abrangia uma região sujeita a um campo gravitacional. (note que algumas vezes os objetos que são necessários para definir uma quantidade conservada não era um tensor, mas um pseudo-tensor. Teorema de Noether permanece correto em alinhamento com os desenvolvimentos atuais

Em 1911, Ernest Rutherford deduziu a partir do experimento de deflexão a existência de um compacto núcleo atômico, com cargas positivamente carregadas, denominado prótons. Nêutrons, o constituinte neutro do núcleo, foram descoberto em 1932 por James Chadwick.

No início de 1900, Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, entre outros, desenvolveram a teoria quântica para explicar várias anomalias pela introdução de níveis de energia discretos.

Em 1925, Werner Heisenberg e Erwin Schrödinger formularam a mecânica quântica, a qual esclarecia a teoria quântica precedente. Na mecânica quântica, os resultados dos experimentos físicos eram de origem probabilística. A teoria descreve o calculo destas probabilidades. Ela foi bem sucedida em descrever o comportamento da matéria em escala reduzida.

O ano de 1905, ano milagroso de Einstein, foram expostos os trabalhos de Albert Einstein sobre a relatividade, que revolucionaram os conceitos da física. Em 2005 comemorou-se o centenário dos trabalhos de Einstein.

A mecânica quântica também proveu uma ferramenta teórica para física da matéria condensada, a qual estuda o comportamento físico de sólidos e líquidos, incluindo fenômenos tais como estruturas cristalinas, semicondutores, e supercondutores. Os pioneiros da física da matéria condensada incluem Feliz Bloch, que aplicaram a mecânica quântica para descrever o comportamento dos elétrons em uma estrutura cristalina em 1928.

Em 1929, Edwin Hubble publicou a sua descoberta de que a velocidade na qual as galáxias se afastam correlaciona-se diretamente com sua distância. Esta é a base para compreender que o universo está expandindo. Portanto, o universo deve ter sido muito menor e alem disto muito quente no seu passado.

Por volta de 1940, pesquisadores como George Gamov propuseram a teoria do Big Bang, para a qual foram descobertas evidências em 1964; Enrico Fermi e Fred Hoyle estavam entre os que duvidavam entre 1940 e 1950. Hoyle havia denominado a teoria de Gamov Big Bang de forma a ridicularizá-la. No presente, ela é um dos principais resultados da cosmologia.

Durante a Segunda Guerra Mundial, a física tornou-se o principal destino de fundos governamentais e pesquisa em ambos lados do conflito. Sua importância em tecnologias como o radar, foguetes, armas antiaéreas eram vistas como vantagens para esforço de guerra de ambos os lados. Embora a física tenha recebido alguns fundo mais depois da Primeira Guerra Mundial, isto foi uma mixaria comparado ao recebido somente algumas poucas décadas mais tarde.

Em 1934, o físico Italiano Enrico Fermi descobriu um resultado estranho quando bombardeou urânio com nêutrons, o que ele acreditava ser o primeiro elemento trans-urânico a ser criado. Em 1939, isto foi descoberto pelo químico Otto Hahn e a física Lise Meitner que imaginaram que o que estava acontecendo era o processo de fissão nuclear, pelo qual o núcleo do urânio era quebrado em dois pedaços, liberando uma considerável soma de energia no processo. A essa altura ficou claro para um número de cientistas independentes que este processo teria um potência na produção de uma grande soma de energia, que poderia ser usado como fonte de potencia para sociedade ou como uma arma.

Os alemães e os americanos desenvolveram pesquisas em física nuclear para avaliar a capacidade para criar tais armas na guerra. O projeto alemão de energia nuclear, liderado por Heisenberg, foi mal sucedido, mas o Projeto Manhattan aliado atingiu seus objetivos.

Na América, uma equipe liderada por Fermi alcançou a primeira reação em cadeia feita pelo homem em 1942 no primeiro reator nuclear do mundo, e em 1945, o primeiro explosivo nuclear do mundo foi detonado no Sitio Trinity, norte de Alamogordo, Novo México.

Em agosto de 1945, os Estados Unidos lançaram duas bombas atômicas nas cidades japonesas de Hiroshima e Nagasaki. Depois da guerra, as industrias do governo se tornaram o principal financiador da física. O cientista líder do projeto Aliado, o físico teórico Robert Oppenheimer, assinalou uma mudança das responsabilidades dos físicos quando ele assinalou em discurso que:

"De uma forma concreta, na qual nenhuma vulgaridade, humor, exagero pode eximir, os físicos conheceram o pecado, e este é um conhecimento o qual eles não podem perder. " Os termos deste novo relacionamento com os militares serão fortemente marcados quando Oppenheimer teve seu passe de segurança revogado em uma audiência muito divulgada durante o auge da era McCarthy onde foram levantadas suspeitas a respeito de sua lealdade.

Durante este processo deu-se a invenção do ciclotron por Ernest O. Lawrence em 1930. A física no período pós-guerra entrou em uma fase que os historiadores tem chamado de "grande ciência", requerendo enormes maquinas, construções, e laboratórios de forma a testar suas teorias e avançar para novas fronteiras. O financiador principal da física tornou-se o governo, que reconheceu que o suporte a pesquisa "básica" poderia freqüentemente levar a tecnologias úteis tanto para aplicações militares como industriais.

A eletrodinâmica quântica, a qual descreve a interação eletromagnética, formulada com o objectivo de estender a mecânica quântica de forma a se tornar consistente com a relatividade restrita por Dirac em 1928. A partir desta a teoria do campo quântico obtém a sua forma moderna no final de 1940 com o trabalho de Richard Feynman, Julian Schwinger, Sin-Itiro Tomonaga, e Freeman Dyson.

A teoria do campo quântico proveu um arcabouço para a física de partículas moderna, a qual estuda forças fundamentais e partículas elementares. Em 1954 Yang Chen Ning e Robert Mills desenvolveram uma classe de teoria de gauge, a qual serviu de arcabouço para o modelo padrão. O modelo padrão, completado em 1970, descreve com sucesso a maior parte da partículas observadas até nossos dias.